论文总字数：28225字

摘 要

为了更好地解决茶叶废弃物所带来的环境问题和对这种生物质能源加以利用，本课题以热重分析为手段，希望能够对茶叶废弃物的热解特性进行更深的研究。本文在5K·min^-1、10K·min^-1、15K·min^-1和25K·min^-1三种不同加热速率下对茶叶进行了升温加热以了解它们的失重规律和热分解热性，并计算其动力学三因子。运用法、法和法计算了其活化能的大小，结果为217±7kJ/mol；通过法、法和法等对数据进行了拟合，计算了其指前因子大小，并对其热解机理进行了分析，结果表示，绿茶废弃物的热解符合A1.5成核生长模型（n=3/2）。

关键词：茶叶废弃物 热重分析 热解特性

Analysis of thermal decomposition characteristics of tea waste based on thermogravimetric analysis

Abstract

In order to better solve the environmental problems caused by tea waste and to make use of this biomass energy, this topic takes thermogravimetry as a means, hoping to conduct a deeper study on the pyrolysis characteristics of tea waste. In this paper, tea was heated at different heating rates of 5K/min^-1, 10K/min^-1, 15K/min^-1 and 25K/min^-1 to understand their weight loss law and analyze their thermal decomposition. Flynn wall Ozawa method, Friedman method and Kissinger akahira sunose method were used to calculate the activation energy E, and the results were ; Horowitz Metzger method, coats Redfern method and van method were used Krevelen's method was used to fit the data, calculate the pre exponential factors, and analyze the pyrolysis mechanism. The results showed that the pyrolysis of green tea waste conforms to nucleation growth model (n =3/2).

Key Words: Tea waste;Thermogravimetric analysis;Pyrolysis characteristics

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 1

1.3 过往研究成果 2

1.4 本文的研究内容 3

第二章 实验部分 4

2.1 实验原理 4

2.2 实验仪器 5

2.2.1. 热重试验仪-梅特勒TGA1 5

2.2.2. 样品容器 5

2.2.3. 其他要求 5

2.3 样品要求 5

2.4实验方案 6

2.5实验步骤 6

2.6数据软件操作 6

第三章 实验数据及分析 8

3.1 基础数据 8

3.2 转化率数据 9

3.3 数据分析 10

第四章 热动力学计算方法 11

4.1热动力学方法 11

4.2热分析动力学基本公式 11

4.3不等温法 12

4.3.1无模型法 12

4.3.2 模型拟合法 14

第五章 热动力学计算结果及分析 18

5.1无模型法计算结果 18

5.1.1 Flynn-Wall-Ozawa法 19

5.1.2 Friedman法 20

5.1.3 Kissinger-Akahira-Sunose法 21

5.2模型拟合法结果 22

5.2.1 Horowitz-Metzger法 22

5.2.2 Coats-Redfern法 23

5.2.3 Satava-Sestak法 25

5.2.4 Achar-Brindley-Sharp法 26

5.2.5 Van Krevelen方法 28

5.3总结 29

第六章 结论和展望 31

6.1结论 31

6.2展望 32

参考文献 33

绪论

1.1 研究背景

茶是我国的常见饮品,近几十年来，茶饮料产业发展迅速。在20年时间里,茶类型的饮料已占据饮料市场的主要位置,在各饮料类型中排名第3位,如此庞大的市场前景使我国茶饮料等加工产业的飞速发展，同时也加速了茶叶的消耗。在2018年中国茶叶年产量统计约261万吨，2019年预计年产量将达270万吨，而90%以上的茶叶在使用后会残留下来，因此带来了了茶叶废弃物的处理问题。

这些废弃物本身会对环境产生一定的污染，但其同时又是一种可再生的生物质能源，所以为了更好地解决茶叶废弃物所带来的环境问题和对这种生物质能源加以利用，对其热分解特性进行研究正成为国内外的研究热点。

1.2 研究意义

目前国内没有专门处理茶叶废弃物的方法，一般作为普通厨余垃圾处理，主要方法有焚烧法和填埋法。但这两种方法都会产生二次污染。茶叶废弃物资源再利用的方向大都为农业上用作肥料，而工业上的利用方向较少。热解技术作为新型的废弃物处理技术，利用了废弃物中有机物的热稳定性差的特点，将废弃物在特定条件下高温热解，得到燃料气，然后将其通入到燃烧室进行燃烧，实现将废弃物转变为烟气和含碳残渣的技术。茶叶废弃物是一种生物质，因其具有可再生、清洁和分布广泛等特点，所以在能源开发方面具有良好的应用前景。生物质热解技术是指在缺氧或无氧条件下，通过其中的有机物的受热分解，得到焦油和生物油等气体产物，从而实现生物质向清洁燃料的开发和转化，通过生物质热解得到的可再生能源可以缓解化石能源枯竭和废弃物环境污染等问题。因此，研究茶叶废弃物的热解过程的特性具有重要意义。

热重法（）简称，是研究固体热分解过程的常用手段，通过设定程序调节物质受热过程，分析仪器采集到的数据曲线，可以得到物质热稳定性、分解情况、热解温度区间等相关信息。因此热重技术被广泛应用于动力学及反应机理研究。

1.3 过往研究成果

由于茶叶具有很多品种，不同茶叶品种的的热解特性可能不同，许多学者对单一品种的茶叶废弃物进行了研究。田灵辉，沈伯雄，王夫美等人^[1]探讨了茉莉花茶废弃物的热解过程及温度对产物的影响，得到的结论表示，茉莉花茶废弃物解产生的固体量随温度升高而降低，气体产量随温度升高而增加，热解得到的液体量比例随热解温度不同而不同，表明茉莉花茶热解产物随热解温度不同而不同，热解产物主要有二氧化碳、水、醇及含碳碳双键的有机物和生物焦固体。林志銮，许原，马春华等^[2]一行人采用热重分析法对5种武夷岩茶进行了热重分析，讨论了不同的升温速率、氮气流量、热分析时间对热重分析图谱的影响，实验表明：不同品种武夷岩茶具有各自的热重图谱，5种武夷岩茶中，大叶雀舌的热稳定性最高,矮脚乌龙的热稳定性最差。Linghui Tian，Boxiong Shen，Huan Xu 等人^[3]利用热重与傅里叶红外联用方法研究了茶叶废弃物热解过程中的动力学行为和释放出的气体，结果表明，茶叶废弃物的质量损失分为两个步骤：在温度低于210℃下的水分挥发，在210-550℃的温度范围内CO₂和有机化合物的挥发。红外光谱（傅立叶变换红外）分析表明，CO₂是茶叶废弃物降解时热能释放出的主要气体。此外，茶叶废弃物中产生的气体还包括水，乙酸，乙醇，烯烃等。

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